Auf der Suche nach "exzellenten" Batterien
Exzellenzcluster zwischen Theorie und Experiment
Im neuen Exzellenzcluster zur Batterieforschung „POLiS“ werden mehr als 100 Forschende an den Standorten Ulm und Karlsruhe zusammenarbeiten. Darunter sind bereits der Experte für Computersimulationen, Dr. Holger Euchner, und Dr. Anji Reddy Munnangi, der neue Materialien für Energiespeicher im Labor entwickelt. Ihr gemeinsames Ziel: Leistungsfähige und umweltfreundliche Batterien jenseits von Lithium für Energiewende und Elektromobilität.
Im Helmholtz-Institut Ulm (HIU) arbeiten Dr. Holger Euchner und Dr. Anji Reddy Munnangi Tür an Tür. Gemeinsam forschen sie an hochleistungsfähigen Batterien, die ohne die endlichen Materialien Lithium und Kobalt auskommen. Dabei bedienen sich die beiden Wissenschaftler völlig unterschiedlicher „Werkzeuge“. Während der gebürtige Inder Munnangi vielversprechende neue Materialien im Labor synthetisiert, prüft und die damit hergestellten Batteriezellen testet, braucht Holger Euchner sein Büro nicht zu verlassen. Am Computer simuliert der Physiker die Kristallstruktur von möglichen Batteriekomponenten auf atomarer Ebene. Ausgehend von solchen Simulationen kann er Eigenschaften wie Spannung und Speicherkapazität berechnen. Dahinter steht immer die Frage: Welche Materialien eignen sich für Anode, Kathode und Elektrolyt zukünftiger Batterien
Dank solcher Simulationen sind sogar groß angelegte Screenings möglich, bei denen einzelne Elemente in der Kristallstruktur ausgetauscht werden können. Im Zuge seines Habilitationsprojekts hat Euchner auf diese Weise interessante Kathodenmaterialien für Natrium-Ionen-Batterien identifiziert, die nun synthetisiert werden. Allerdings wird auch oft ein Großteil der am Computer „durchgerechneten“ Materialien verworfen. Damit ersparen die Theoretiker experimentell arbeiten-den Kollegen wie Anji Reddy Munnangi viele Tage im Labor. „Alleine die Testung einer neuen Batterie dauert mehrere Wochen, und im Erfolgsfall braucht es weitere zehn bis zwanzig Jahre bis zur Marktreife“, erläutert der studierte Chemiker aus Südindien.
Am IIT Madras hat Anji Reddy Munnangi 2008 über Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien promoviert, die heute in vielen Smartphones oder Laptops stecken. Doch die Speicherkapazität dieser Akkus ist begrenzt und reicht für zukünftige Anwendungen nicht aus. Denn gerade für die Elektromobilität sind Systeme nötig, die bei geringem Gewicht große Energiemengen vorhalten können. Auch deshalb hat sich Munnangi, der 2014 nach Stationen im französischen Caen und am KIT nach Ulm kam, auf Alternativen wie Fluorid-Ionen-Batterien spezialisiert. Diese bereits in den 1970er-Jahren vorgeschlagenen und erst vor wenigen Jahren „wiederentdeckten“ Energiespeicher zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte und Sicherheit aus. Im Exzellenzcluster beforscht der Wissenschaftler in der Gruppe „Festkörperchemie“ von Clustersprecher Professor Maximilian Fichtner zudem Natrium-Ionen- sowie Lithium-Schwefel-Batterien.
"Es ist toll, in einem 'exzellenten' Team zu arbeiten."
Obwohl viele Materialien bereits in der Simulation getestet worden sind, erlebt Munnangi im Labor oft noch Überraschungen. Bei schwer interpretierbaren Ergebnissen kommt es durchaus vor, dass er erneut an die Tür von Holger Euchner klopft: Denn auch bei Experimenten mit unklarem Ausgang können Computersimulationen zur Aufklärung beitragen. Solche Simulationen sind natürlich nicht am heimischen Laptop möglich. Oft greift Euchner auf den Ulmer Supercomputer JUSTUS zurück, der immer noch mehrere Stunden bis Tage für die Berechnungen benötigt. Als übergeordnetes Ziel wollen die Forscher der Gruppe „Elementare Prozesse“ in Batterien ablaufende Vorgänge und Strukturen auf atomarer Ebene verstehen und davon ausgehend neue Designprinzipien vorschlagen.
„Auch wenn meine Arbeit mit der ausgewerteten Computersimulation endet, interessiert es mich, ob experimentell arbeitende Kollegen weiter an einem Material forschen, und ob es eines Tages sogar in einer Batterie eingesetzt wird“, sagt Euchner. Dieses Interesse mag am Werdegang des 36-Jährigen liegen: Während seiner Promotion im Bereich Materialforschung an der Universität Stuttgart hat der Physiker teilweise selbst experimentell gearbeitet. Doch nach einer Zeit als Postdoktorand in Wien wechselte er in die Ulmer Arbeitsgruppe des stellvertretenden Clustersprechers Professor Axel Groß, dessen Spezialität eben jene Computersimulationen sind. Am HIU, wo Theorie und Experiment ineinandergreifen, kann Euchner seine Interessen bestens kombinieren. „Wenn Theorie und Praxis zusammenwirken, haben wir große Chancen, etwas zu bewegen. Nicht immer sprechen theoretisch und experimentell arbeitende Wissenschaftler dieselbe Sprache, doch wir können viel voneinander lernen.“ Vom Exzellenzcluster erhofft sich der Habilitand eine noch höhere Sichtbarkeit der Ulmer Batteriefor-schung und betont: „Es ist toll, in einem ,exzellenten‘ Team zu arbeiten.“
Auch Anji Reddy Munnangi freut sich über den Erfolg bei der Exzellenzstrategie und rechnet mit rund 100 neuen Kollegen. Durch den Personalaufwuchs verspricht er sich neue, noch breiter angelegte Projekte und eine größere Schlagkraft der Ulmer Energieforschung. Für den Wissenschaftler, der seine nähere Zukunft in Ulm sieht, ist das HIU schon jetzt eine der besten europäischen Einrichtungen für die Batterieforschung: „Es gibt sicher größere Labore, doch innerhalb des Exzellenzclusters können wir auf die Ausstattung der Uni Ulm, des KIT sowie des ZSW zurückgreifen – und das ist einmalig.“
Text: Annika Bingmann
Fotos: Heiko Grandel, Elvira Eberhardt
Grafik: Maibach/KIT
Video: Daniela Stang